RU2007847C1

RU2007847C1 - Multichannel switch amplifier

Info

Publication number: RU2007847C1
Authority: RU
Inventors: Д.А. Ткаченко
Original assignee: Ленинградский государственный технический университет
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: radio transmitting devices. SUBSTANCE: device has control signal generation unit 1 and step voltage generation unit 2 which has N cells 3 which are connected in series. Unit 1 has direct current power supply 6, resistive scaling circuit 9, N adders 7, N comparators 8, sawtooth voltage generator 10 and pre-amplifier 11. This results decreased number commutation of semiconductor switches from generator 2 while preserving high-quality of input signal. EFFECT: simplified design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах в качестве модулятора. The invention relates to radio engineering and can be used in radio transmitting devices as a modulator.

Использование ключевых модуляторов позволяет повысить КПД радиопередатчиков, снизить их массу и габариты. Определенными преимуществами обладают модуляторы на полупроводниковых приборах, так как полупроводниковые приборы более надежны в работе и обладают лучшими ключевыми свойствами, чем лампы. Однако из-за ограниченной мощности полупроводниковых ключей в достаточно мощных модуляторах приходится использовать суммирование мощностей отдельных ячеек, как это делается, например, в системах с многозонной импульсной модуляцией. Недостатком модуляторов с многозонной импульсной модуляцией являются дополнительные этапы преобразования энергии (т. к. кроме преобразования энергии в импульсную форму в таких устройствах присутствует также преобразование энергии в импульсном трансформаторе и демодуляторе на полупроводниковых приборах), что приводит к дополнительным потерям мощности, а также усложняет схемы модуляторов. The use of key modulators can increase the efficiency of radio transmitters, reduce their weight and dimensions. Modulators based on semiconductor devices have certain advantages, since semiconductor devices are more reliable in operation and have better key properties than lamps. However, due to the limited power of semiconductor switches in sufficiently powerful modulators, it is necessary to use the summation of the powers of individual cells, as is done, for example, in systems with multi-zone pulse modulation. The disadvantage of modulators with multi-zone pulse modulation is the additional steps of energy conversion (since in addition to converting energy to pulse form, such devices also contain energy conversion in a pulse transformer and demodulator on semiconductor devices), which leads to additional power losses, and also complicates the circuit modulators.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ключевой усилитель, который содержит формирователь ступенчатого напряжения (ФСН), состоящий из N последовательно включенных ячеек, причем к входам ячеек подключены соответствующие выходы схемы управления, представляющей собой многоуровневый компаратор, т. е. число включенных ячеек оказывается пропорциональным уровню входного сигнала. Таким образом, ФСН формирует ступенчатое напряжение, которое грубо воспроизводит усиливаемый сигнал, точное же "отслеживание" формы сигнала осуществляется дополнительным ключевым усилителем, выход которого включен последовательно с выходом ФСН, а на вход подается сигнал ошибки. Такая реализация ключевого усилителя практически целесообразна при очень больших уровнях выходной мощности (сотни киловатт). В этом случае ячейки, входящие в состав ФСН, могут быть реализованы на достаточно мощных, но обладающих ограниченным быстродействием запираемых тиристоров, а дополнительный усилитель - на быстродействующих полевых или биполярных транзисторах. Однако, если речь идет о больших, но ограниченных уровнях мощности (единицы или десятки киловатт), ячейки ФСН также могут быть реализованы на транзисторах. В этом случае наличие дополнительного усилителя не является принципиально необходимым и приводит к излишним коммутационным потерям, что является недостатком прототипа. The closest in technical essence to the invention is a key amplifier, which contains a step voltage generator (FSN), consisting of N series-connected cells, and the corresponding outputs of the control circuit, which is a multi-level comparator, are connected to the cell inputs, i.e. the number of cells turned on proportional to the input level. Thus, the FSN generates a step voltage, which roughly reproduces the amplified signal, the exact "tracking" of the waveform is carried out by an additional key amplifier, the output of which is connected in series with the output of the FSN, and an error signal is input. Such an implementation of a key amplifier is practically practical at very high levels of output power (hundreds of kilowatts). In this case, the cells that make up the FSN can be implemented on powerful enough, but with limited speed lockable thyristors, and an additional amplifier on high-speed field-effect or bipolar transistors. However, when it comes to large, but limited power levels (units or tens of kilowatts), FSN cells can also be implemented on transistors. In this case, the presence of an additional amplifier is not fundamentally necessary and leads to excessive switching losses, which is a disadvantage of the prototype.

Целью изобретения является снижение коммутационных потерь. The aim of the invention is to reduce switching losses.

Это достигается тем, что в многоканальном ключевом усилителе, содержащем схему формирования управляющих сигналов, имеющих N выходов, которые подключены к соответствующим входам формирователя ступенчатого напряжения, состоящего из N последовательно включенных ячеек, причем выход формирователя ступенчатого напряжения через фильтр низкой частоты подключен к нагрузке, схема формирования управляющих сигналов выполнена в виде источника постоянного напряжения, N сумматоров и N компараторов, причем положительный вывод источника постоянного напряжения подключен к последнему отводу делителя, состоящего из N последовательно включенных резисторов одинаковой величины, первый отвод делителя подключен к отрицательному выводу источника постоянного напряжения и к первому входу первого сумматора, остальные отводы делителя подключены к первым выходам соответствующих сумматоров, вторые входы всех сумматоров соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, а выходы сумматоров подключены к инвертирующим входам соответствующих компараторов, выходы которых являются выходами схемы формирования управляющих сигналов, а неинвертирующие входы компараторов соединены с выходом предварительного усилителя, вход которого является входом для усиливаемого сигнала. This is achieved by the fact that in a multi-channel key amplifier containing a control signal generation circuit having N outputs that are connected to the corresponding inputs of a step voltage generator, consisting of N cells connected in series, and the output of the step voltage generator through a low-pass filter is connected to the load, the circuit the formation of control signals is made in the form of a constant voltage source, N adders and N comparators, and the positive output of the constant source voltage is connected to the last tap of the divider, consisting of N series resistors of the same value, the first tap of the divider is connected to the negative terminal of the DC voltage source and to the first input of the first adder, the remaining tap of the divider is connected to the first outputs of the respective adders, the second inputs of all the adders are connected to the output a sawtooth voltage generator, and the outputs of the adders are connected to the inverting inputs of the respective comparators, the outputs of which are the output E circuit generating control signals and non-inverting inputs of the comparators are connected to the output of pre-amplifier, the input of which is the input signal to be amplified.

На фиг. 1 показаны эпюры напряжений, которые характеризуют работу устройства, являющегося прототипом, а также устройства по изобретению; на фиг. 2 - функциональная схема предлагаемого усилителя. In FIG. 1 shows stress plots that characterize the operation of the prototype device, as well as the device of the invention; in FIG. 2 is a functional diagram of the proposed amplifier.

Введение новых признаков влечет за собой новые свойства усилителя, заключающиеся в том, что весь диапазон изменения величины усиливаемого сигнала, оказывается разбитым на N расположенных друг над другом "зон", в пределах каждой из которой действует свое опорное пилообразное напряжение (см. фиг. 1, где N = 2, 1 и 2 - опорные напряжения, 3 - усиливаемый сигнал). Когда усиливаемый сигнал находится в пределах какой-либо "зоны, на выходе соответствующей ячейки ФСН присутствуют импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в противном случае напряжение на выходе ячейки не изменяется (см. фиг. 1, где 4 и 5 - выходные напряжения ячеек). Напряжение на выходе ФСН 6 является суммой выходных напряжений ячеек. В прототипе выходное напряжение имеет точно такой же вид, что и 6, но формируется другим образом. Напряжения на выходах ячеек (7 на фиг. 1) изменяются в этом случае лишь при переходе сигнала из "зоны" в "зону", а на выходе дополнительного усилителя постоянно присутствуют ШИМ-импульсы (8). Из фиг. 1 видно, что напряжения 7 и 8 также в сумме дают напряжение 6, однако в моменты перехода сигнала из зоны в зону (момент t_о на фиг. 1) происходят коммутации напряжений одной из ячеек и дополнительного усилителя, которые никак не отражаются на форме выходного напряжения 6, следовательно, не несут никакой полезной информации. Если формирователь ступенчатого напряжения содержит, например, около 30 ячеек, то при полном размахе усиливаемого сигнала за период низкой частоты произойдет 60 "бесполезных" переключений ячеек и столько же переключений дополнительного усилителя. Если частота опорных пилообразных напряжений порядка 100 кГц, то даже при средних частотах модуляции (1-2 кГц) указанные потери будут составлять примерно половину всех коммутационных потерь в модуляторе. В предлагаемом техническом решении потери подобного рода не возникают, что видно по форме напряжений ячеек 4 и 5 (фиг. 1).The introduction of new features entails new properties of the amplifier, consisting in the fact that the entire range of changes in the magnitude of the amplified signal turns out to be divided into N "zones" located one above the other, within each of which there is its own sawtooth voltage (see Fig. 1 where N = 2, 1 and 2 are the reference voltages, 3 is the amplified signal). When the amplified signal is within any “zone, pulses with pulse-width modulation (PWM) are present at the output of the corresponding FSN cell, otherwise the voltage at the cell output does not change (see Fig. 1, where 4 and 5 are output cell voltages.) The voltage at the output of FSN 6 is the sum of the output voltages of the cells. In the prototype, the output voltage has exactly the same form as 6, but is formed differently. The voltages at the outputs of the cells (7 in Fig. 1) change in this case only when the signal moves from the "zone" to the "zone", and and the output of the additional amplifier is constantly present PWM pulses (8). From Fig. 1 it is seen that the voltage 7 and 8 also add up to 6 kV, but at the moments when the signal from zone to zone (the time t _of FIG. 1) occur Therefore, voltage switching of one of the cells and an additional amplifier, which do not affect the shape of the output voltage 6, therefore, does not carry any useful information.If the step-by-step voltage generator contains, for example, about 30 cells, then with a full amplitude of the amplified signal during a period of low frequency There will be 60 “useless” cell switching and as many switching of an additional amplifier. If the frequency of the reference sawtooth voltages is of the order of 100 kHz, then even at medium modulation frequencies (1-2 kHz) these losses will be approximately half of all switching losses in the modulator. In the proposed technical solution, losses of this kind do not occur, as can be seen from the shape of the voltages of cells 4 and 5 (Fig. 1).

Учитывая вышесказанное, а также то, что в просмотренной автором литературе подобная совокупность признаков не встречена, отличительные признаки можно считать существенными. Given the above, as well as the fact that in the literature reviewed by the author such a combination of features is not found, the distinguishing features can be considered significant.

Функциональная схема, приведенная на фиг. 2, включает схему (блок)1 формирования управляющих сигналов, формирователь 2 ступенчатого напряжения, состоящий из N последовательно включенных ячеек 3_i (i = 1, 2, . . . N), фильтр 4 низкой частоты, нагрузку 5, источник 6 постоянного напряжения N сумматоров 7_i, N компараторов 8_i, делитель 9, генератор 10 пилообразного напряжения 10 и предварительный усилитель 11.The functional diagram shown in FIG. 2 includes a control signal generation circuit (block) 1, a step voltage generator 2, consisting of N cells 3 _{i in} series (i = 1, 2, ... N), a low-pass filter 4, a load 5, a constant voltage source 6 N adders 7 _i , N comparators 8 _i , a divider 9, a sawtooth voltage generator 10 and a preamplifier 11.

При этом выходы схемы 1 формирования управляющих сигналов подключены к соответствующим входам формирователя 2 ступенчатого напряжения, состоящего из N последовательно включенных ячеек 3_i, причем выход формирователя 2 ступенчатого напряжения через фильтр 4 низкой частоты подключен к нагрузке 5, схема 1 формирования управляющих сигналов выполнена в виде источника постоянного напряжения 6, N сумматоров 7_i и N компараторов 8_i, причем положительный вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к последнему отводу делителя 9, состоящего из N последовательно включенных резисторов одинаковой величины, первый отвод делителя 9 подключен к отрицательному выводу источника 6 постоянного напряжения и к первому входу первого сумматора 7₁, остальные отводы делителя 9 подключены к первым входам соответствующих сумматоров 7_i, вторые входы всех сумматоров 7_i соединены с выходом генератора пилообразного напряжения 10, а выходы сумматоров 7_i подключены к инвертирующим входам соответствующих компараторов 8_i, выходы которых являются выходами схемы 1 формирования управляющих сигналов, а неинвертирующие входы компараторов 8_i соединены с выходом предварительного усилителя 11, вход которого является входом для усиливаемого сигнала.The outputs of the control signal generation circuit 1 are connected to the corresponding inputs of the step voltage generator 2, consisting of N cells 3 _i connected in series, and the output of the step voltage generator 2 through the low-pass filter 4 is connected to load 5, the control signal generation circuit 1 is made in the form a constant voltage source 6, N adders 7 _i and N comparators 8 _i , and the positive output of the constant voltage source 6 is connected to the last tap of the divider 9, consisting of N of series-connected resistors of the same magnitude, the first tap of the divider 9 is connected to the negative terminal of the DC voltage source 6 and to the first input of the first adder 7 ₁ , the remaining tap of the divider 9 is connected to the first inputs of the corresponding adders 7 _i , the second inputs of all adders 7 _{i are} connected to the output of the generator sawtooth voltage 10, and the outputs of adders 7 _i connected to the inverting inputs of respective comparators 8 _i, the outputs of which are the outputs of circuit 1 generating control signals, rather than nvertiruyuschie inputs of comparators 8 _i connected to output preamplifier 11, whose input is the input for the signal being amplified.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Модулирующий сигнал U_вх поступает на предварительный усилитель 11, который усиливает его таким образом, что при полном размахе входного сигнала напряжение на выходе усилителя 11 находится в пределах от нуля до +Е где Е - напряжение на выходе источника 6.The modulating signal U _Rin supplied to the preamplifier 11, which amplifies it so that the peak to peak input signal voltage at the output of amplifier 11 is in the range of zero to + E where E - the voltage at the source output 6.

Опорное напряжение, имеющее размах Е/N, поступает с выхода генератора 10 пилообразного напряжения на входы сумматоров 7_i, где, суммируясь с напряжениями, поступающими с отводов делителя 9 формирует на инвертирующих входах компараторов 8_i пилообразные напряжения, сдвинутые по вертикали друг относительно друга на величину Е/N (см. фиг. 1, напряжения 1 и 2). На неинвертирующие входы компараторов поступает напряжение с выхода усилителя 11, таким образом, когда усиливаемый сигнал превосходит по величине какое-либо из опорных напряжений, на выходе соответствующего компаратора присутствует сигнал, отпирающий соответствующую ячейку 3i, входящую в состав формирователя 2, в противном случае напряжение на выходе ячейки равно нулю (см. напряжения 4 и 5 на фиг. 1). Выходные напряжения ячеек 3_i суммируются (напряжения 6 на фиг. 1) и после фильтра низкой частоты, устраняющего пульсации тактовой частоты, поступают в нагрузку, роль которой играет оконечный каскад радиопередатчика.The reference voltage, having an E / N span, comes from the output of the sawtooth voltage generator 10 to the inputs of the adders 7 _i , where, summing up with the voltages coming from the taps of the divider 9, it generates sawtooth voltages at the inverting inputs of the comparators 8 _i vertically shifted relative to each other by the value of E / N (see Fig. 1, voltage 1 and 2). The non-inverting inputs of the comparators receive voltage from the output of the amplifier 11, so that when the amplified signal exceeds any of the reference voltages, the output of the corresponding comparator contains a signal that unlocks the corresponding cell 3i, which is part of the former 2, otherwise, the voltage the cell output is zero (see voltages 4 and 5 in Fig. 1). The output voltages of cells 3 _i are summed (voltages 6 in Fig. 1) and after a low-pass filter that eliminates clock pulsations, they enter the load, the role of which is played by the terminal stage of the radio transmitter.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется тем, что удается по сравнению с прототипом снизить коммутационные потери в модуляторах радиопередатчиков, следовательно уменьшить потребление электроэнергии. (56) Заявка ФРГ N 3044956, кл. Н 03 F 3/217, опублик. 1981. The technical and economic efficiency of the invention is determined by the fact that, in comparison with the prototype, it is possible to reduce switching losses in the modulators of radio transmitters, therefore, to reduce power consumption. (56) Application of Germany N 3044956, CL H 03 F 3/217, published. 1981.

Claims

A MULTI-CHANNEL KEY AMPLIFIER containing a control signal generating unit, the input of which is an input of a multi-channel key amplifier, and N outputs are connected to the corresponding N inputs of a step voltage shaper made on N cells connected in series, and the output of a step voltage shaper through a low-pass filter is connected to the load , characterized in that, in order to reduce switching losses, the control signal generation unit is made at a constant voltage parallel to which a voltage divider is connected, made on N resistors connected in series with the same resistance value, on N adders, N comparators, the outputs of which are the corresponding outputs of the control signal shaper, a sawtooth voltage generator and a pre-amplifier, the input of which is the input of the control signal shaper , the output of the pre-amplifier is connected to the first inputs of N comparators, the second inputs of which are connected to the outputs respectively N adders, to the first inputs of which the output of a sawtooth voltage generator is connected, and to the second inputs are the corresponding N taps of the voltage divider.